第一次课： 2学时 1 题目： § 4.1 理想气体物态方程 准静态过程 § 4.2 热力学第一定律 2 目的： 1）掌握理想气体物态方程的几种表述形式。 2）掌握热力学第一定律及应用问题求解。 一、引入课题： 一、热学研究对象及内容 1.对象：热现象：物质中大量分子热运动的集体表现。 热运动：物体由大量分子、原子组成，它们处于永恒的无规则的运动之中，这种无规则运动的总体称为热运动。在热学中，称研究对象为热力学系统。 热力学系统：在热学中，将被研究的宏观物体和物体系称为热力学系统。 ·系统：由大量分子或原子组成的热力学研究对象。 ·外界：系统外的物体称外界 ·孤立系：与外界没有能量和物质交换。 ·开系： 与外界有能量和物质交换。 ·闭系： 与外界有能量交换而无物质交换。 2.内容：与热现象有关的性质和规律 二、热学的研究方法 1.宏观描述方法---热力学方法 ·由实验确定的基本规律，研究热现象的宏观特性和规律。对系统进行整体描述。这部分内容称为热力学。 2.微观描述方法---统计物理方法 ·从物质的微观结构出发，用统计平均的方法，研究微观粒子运动和宏观热现象之间的内在联系，研究热现象规律的微观本质，这部分内容称为分子物理学。 ·两种方法相辅相成。 二、讲授新课： 第四章 热力学基础 § 4.1 理想气体物态方程 准静态过程 一、 基本概念 1 宏观量与微观量 1)宏观量 (macroscopic quantity) 用一些物理量从整体上对系统状态加以描述，表征系统整体性质，称为状态参量。一般宏观量可用仪器直接测量(如体积、温度、压强)。 宏观量有分为广延量：有累加性(如质量、能量) 强度量：无累加性(如温度、压强) 2)微观量(microscopic quantity) 通过对微观粒子运动状态的说明来描述系统的方法称为微观描述，描写单个微观粒子运动状态的物理量，如分子的质量、速度、能量等，微观量一般不能直接测量(如分子质量、能量)。 宏观量和微观量有关，宏观量是微观量的统计平均值。如压强和大量分子撞击器壁时动量变化率的统计平均值有关，温度和大量分子无规则热运动速度的统计平均值有关。 2 平衡态(equilibrium state)和非平衡态 例：A中储有气体，B中为真空。当把隔板抽去，A部分中的气体就向B中运动。在这个过程中，气体内部各处的情况是不均匀的。但随着时间变化，最后将达到各处均匀一致的状态。此后若不受外界影响，容器内气体将始终保持这一状态，不再发生变化。 例：将水放在开口容器中，水将不断蒸发。若将容器封闭，经过一段时间后，蒸发现象将停止，即达到饱和状态。此后若无外界影响，就不在发生宏观变化。 可见，平衡态系统各处的宏观参量不一定相等。  平衡态：一定量的气体，在不受外界的影响下,经过一定的时间,系统达到一个稳定的,宏观性质不随时间变化的状态称为平衡态。 平衡态是一种理想状态，是一定条件下对实际情 况的概括和抽象。 p-V 图上一点表示气体的一个平衡态 平衡态要点 1）孤立系，宏观量不随时间变化。 2）平衡态是一种热动平衡。平衡态指系统的宏观性质不随时间变化，从微观看，分子仍在作不停地、无规则热运动。 3）平衡态可用状态参量来描述。 4）稳恒态不一定是平衡态。 非平衡态：系统的宏观状态参量随时间变化的状态称为非平衡态。 4 状态参量 状态量；描述系统平衡态的宏观参量，气体的体积、压强和温度三个物理量称为气体的物态参量。常用：P、V、T表示气体的三个状态参量。 过程量：与过程有关的物理量，如功、热量。 1）气体压强 P：作用于容器壁上单位面积的正压力。 单位： 标准大气压： 450 纬度海平面处, 00 时的大气压。 2.体积v: 气体所能达到的最大空间。 3.温度T: 气体冷热程度的量度。 单位：温标（开尔文） 平衡态下状态参量不随时间变化 二、理想气体物态方程 1 状态方程(equation of state) 状态参量之间的函数关系称为状态方程 f (P,V,T) = 0 2 理想气体 宏观定义：遵守三个实验定律的气体。 微观模型：从分子运动论的观点出发 1）分子间除碰撞外不存在相互作用。 2）分子间的碰撞、分子与器壁的碰撞都是完全弹性碰撞。 3）分子的大小忽略不计。 应用条件：压强不太高、温度不太低的实际气体。 3 理想气体状态方程 由三个实验定律 波－马定律： 查理定律： 盖.吕萨克定律： 1）理想气体状态方程 状态1到状态3：等压变化 状态3到状态2，等温变化 消去v3 得 2）克拉伯龙方程 1mol 的理想气体在标准状态下 称R为气体普适恒量。 νmol 的理想气体在标准状态下 取任意一状态 即 若气体的质量为M,摩尔质量为μ，则 即 3）若气体的总分子数为N,则 上式 则 式中：n — 分子数密度 k -- 玻耳兹曼常数 三、热力学过程 热力学系统的状态随时间变化叫做热力学过程。 1 非平衡过程：系统从某一平衡态开始，相继经历一系列的非平衡态，最后达到一个新的平衡态的过程叫做非平衡过程。 例：压缩气缸内的气体。 未压前：气体各处密度均匀，且不随时间变化，是平衡态。 过程中：靠近活塞处气体密度增大，出现非平衡态。 压缩停止后：由于分子热运动的碰撞的结果，气缸内气体密度差异逐渐减小，直到各处均匀，此后保持不变，出现新的平衡状态。 气体经历一个非平衡过程，过程的中间状态由于没有确定的状态参量值，过程无法描述。 2 准静态过程：若过程进行得相当缓慢，每一次从非平衡态过渡到平衡态所用的时间非常短，可以认为过程的每一步都会达到平衡态，这种一系列中间状态都无限接近平衡态的过程称为平衡过程和准静态过程。 例： 气体经历一个平衡过程，过程的中间状态都有确定的状态参量值，过程可以描述。 准静态过程是一个理想化的过程，是实际过程 的近似。 只有过程进行得无限缓慢，每个中间态才可看作是平衡态。 3 过程曲线 准静态过程可用过程曲线表示。 状态图(P－V图、P－T图、V－T图)上 ·一个点代表一个平衡态； ·一条曲线代表一个准静态过程。 在p-V图中，气体系统的准静态过程可表示为一条曲线。 非平衡过程不能在p-V图中表示。